操作系统的运行机制中断异常以及系统调用

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了操作系统的运行机制中断异常以及系统调用相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、操作系统的运行机制

(一)程序是如何运行的?

  • 指令”就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令。
  • 注:很多人习惯把 Linux、Windows、MacOS 的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”,其实这是“交互式命令接口”,注意与本节的“指令”区别开。
  • 本节中的“指令”指二进制机器指令

(二)内核程序 v.s. 应用程序

  • 我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
  • 微软、苹果有一帮人负责实现操作系统,他们写的是“内核程序
  • 由很多内核程序组成了“操作系统内核”,或简称“内核(Kernel)
  • 内核是操作系统最重要最核心的部分,也是最接近硬件的部分
  • 甚至可以说,一个操作系统只要有内核就够了(eg:Docker—>仅需Linux内核)操作系统的功能未必都在内核中,如图形化用户界面 GUI

(三)两种指令—特权指令和非特权指令

  • 程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程
  • CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令,因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

(四)两种处理器状态—内核态和用户态

  • CPU 有两种状态,“内核态”和“用户态
    ①、处于内核态时,说明此时正在运行的是内核程序,此时可以执行特权指令
    ②、处于用户态时,说明此时正在运行的是应用程序,此时只能执行非特权指令

1. 内核态、用户态的切换

  • 内核态→用户态:执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”,这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
  • 用户态→内核态:由“中断”引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
    【但凡需要操作系统介入的地方,都会触发中断信号】

二、中断和异常

(一)中断的作用

  • “中断”会使CPU由用户态转变为内核态,使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
  • CPU 上会运行两种程序,一种是操作系统内核程序(其是整个系统的管理者),一种是应用程序
  • 在合适的情况下,操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
  • “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
  • 如果没有“中断”机制,那么一旦应用程序上CPU运行,CPU就会一直运行这个应用程序,也就没有“并发”的概念了

(二)中断的类型

1. 内中断(也称为“异常”)


2. 外中断

3. 中断的分类

(三)中断机制的基本原理

  • 不同的中断信号,需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后,会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”,以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

三、系统调用

(一)什么是系统调用?

  • 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口,需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中,程序接口由一组系统调用组成。
  • “系统调用”是操作系统提供给应用程序(程序员/编程人员)使用的接口,可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数,应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

(二)系统调用与库函数的区别

(三)为什么系统调用是必须的?

(四)什么功能要用系统调用实现?

  • 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管,因此凡是与共享资源有关的操作(如存储分配、I/O操作、文件管理等),都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求,由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户进行非法操作。

(五)系统调用的过程


  • 传递系统调用参数 → 执行陷入指令(用户态) → 执行相应的内请求核程序处理系统调用(核心态) → 返回应用程序
  • 注意:
    ①、陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,使CPU进入核心态
    ②、发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理核心态下进行

以上是关于操作系统的运行机制中断异常以及系统调用的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

一.OS运行机制

中断,异常和系统调用

中断和异常

操作系统中断

操作系统 王道考研2019 第一章:计算机系统概述 -- 中断和异常系统调用(陷入指令 / trap 指令 / 访管指令)

中断和异常